機器之心報道
機器之心編輯部
從零造一個雷射雷達，需要多久？
雷射雷達（LiDAR）是雷射探測及測距系統的簡稱，目前廣泛應用在無人駕駛和掃地機器人等領域。這種廣泛的應用一方面得益于雷射雷達的性能提升，一方面也得益于其成本的下降。
根據掃描方式，雷射雷達可分為 MEMS 型、Flash 型、相控陣型、機械旋轉型；根據線數，可分為單線型和多線型：
話說回來，有沒有可能自制一個雷射雷達？B 站的一位硬核 UP 主「不想宅的技術宅」還真就把這個小目标實作了。
UP 主用了大半年的業餘時間，用一個雷射測距傳感器整出了一個單線機械旋轉式雷射雷達，總共包括硬體設計、結構設計、FPGA 開發和 3D 列印幾個步驟。對于 UP 主來說，這不算是新的挑戰，隻能算是「把以前學過的東西複習了一遍」：
雖然 UP 主很謙虛，但很多人播放完視訊之後，隻能表示「不懂，但受到震撼」：
做一個雷射雷達，需要哪些基本部件？
UP 主選用了一款 FPGA 開發闆，主晶片為 Xilinx ZYNQ7000，闆上搭載了一個最高可輸出 1080p60 幀視訊的 HDMI 接口、32 個 GPIO（通用輸入輸出接口）等其他外設。在這塊開發闆上，将要完成雷達資料的采集、運算和顯示。
此外還有一個直流減速機，額定電壓為 12V，減速比為 1:30，最大輸出轉速為 300 轉每分鐘，電機尾部安裝了 500 線的光電編碼器，通過光電編碼器可以獲知輸出軸的轉動角度。
最後，還有一個雷射測距傳感器，測距精度為 1cm，量程為 12m，每秒鐘可以測量 1000 次，輸出接口為序列槽。
這些就是自制雷射雷達所需要的基本部件，然後就是結構設計的問題了。
結構設計
UP 主表示，雷射雷達在工作時，探頭需要連續旋轉，是以探頭和底座的信号傳輸無法用導線連接配接，否則會引發纏繞問題，他通過導電滑環解決了這個問題。導電滑環内部是一組電刷，可以解決信号線在旋轉情況下的纏繞問題：
如此，雷射雷達就設計好了：
整個雷射雷達分為底座和探頭，探頭和底座通過旋轉軸進行連接配接，雷射測距傳感器通過螺絲固定在探頭基座上。
探頭基座内部還固定有轉子 PCB，底座部分固定有導電滑環、電機和定子 PCB。
在實際裝配時，電機輸出軸和導電滑環和旋轉中心因為誤差關系大機率不會處于同一軸心上，這裡使用了一個彈性連軸器來補償軸向偏差：
探頭和底座之間設計了一對紅外對管，用來确定探頭轉動的初始位置：
至此，結構設計就完成了。随後将設計好的結構件在 3D 列印軟體中添加支撐，然後切片，最後通過 3D 列印機列印出來。列印好的探頭基座、探頭蓋和底座就是這樣：
硬體電路設計
整體架構如圖所示，包含定子 PCB 和轉子 PCB：
下圖是整個電源以及隔離設計的框圖，整個電機控制部分和其他電路沒有實際的連接配接，電機在工作時不會幹擾其他電路：
再之後是 PCB 設計：
一番裝配之後（此處省略一萬個步驟），雷射雷達就做好了：
雷射雷達和 FGPA 之間通過排線進行通信。在軟體設計上，分為兩部分：PS 側的嵌入式開發，以及 PL 側的 FPGA 開發，相比之下，PL 側的開發顯得比較複雜。整體框圖如下：
而主要的難度恰恰在于 FPGA 部分。UP 主表示：「要把雷達資料疊加在視訊資料流上，費了我不少腦細胞。」
最後，看下實際運作效果
受限于雷射測距傳感器測量頻率，探頭轉動一圈采集 500 個點的資料，是以雷射雷達的掃描頻率隻能做到 2Hz 每秒。
為了視覺效果，UP 主加上了雷達掃描線，最終實作的效果還是不錯的：
目前，UP 主已經把視訊中雷射雷達的結構和 pcb 設計檔案上傳到 Github 平台，想要做一個玩玩的小夥伴可以去下載下傳。
項目傳送門：https://github.com/Messi-xiong/LiDAR.git